(57)【要約】【課題】溶接ゾーンに脆弱な金属間化合物が形成されないように金属材料を接合する技術を提供すること。【解決手段】摩擦撹拌プロセス技術を利用して金属材料を接合する方法。摩擦撹拌プロセス技術は、基材を液化させることなく、接合する材料を接合部の一側から他側に移動させるために成形回転器具を用いる。【選択図】図１
2006218543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニッケル・チタン合金を接合する方法において、
回転器具を第１の材料と第２の材料との間の接合部に配置する工程と、
前記回転器具を所定速度で回転させて前記材料を前記接合部の一側から他側に移動させる工程と、
前記回転器具を前記接合部の一端から他端まで移動させる工程と、
を含む、方法。
【請求項２】
ニッケル・チタン合金の表面を改変する方法において、
回転器具を金属材料の表面の所定深さまで貫入させる工程と、
前記回転器具を所定速度で回転させて前記金属材料の微細構造を改変する工程と、
前記回転器具を前記金属材料の表面に沿って移動させる工程と、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【開示の内容】
【０００１】
〔発明の分野〕
関連出願
本願は、２００５年２月１１日出願の米国仮特許出願第６０／６５２，１０４号の恩典を請求するものである。
【０００２】
〔発明の背景〕
１．発明の分野
本発明は、医療装置の製造に関連し、詳細には、医療装置および部品の製造に用いられるニッケル・チタン合金への摩擦撹拌接合および摩擦撹拌プロセスの利用に関する。
【０００３】
２．関連分野の考察
ニッケル・チタン合金は、ステント、大静脈フィルタ、末梢保護デバイス、咬合器、およびカテーテルなどの様々な医療装置の製造に用いることができる。このような医療装置は通常、継目のない微小管から機械加工により形成される。上記した装置の製造に適した所望の直径の、薄肉管に最終的に形成することができる原材料は、所定長の適切な大きさの丸い棒（例えば、直径が１インチ（２５．４ｍｍ）の丸い棒材）である。初めの棒材を大幅に細い管構造にしやすくするために、棒材の全長に延在するバカ孔を棒材に設けなければならない。このような中空管すなわち厚肉管は、棒材を「ガンドリリング」すなわち直径に対する深さの比率が大きいドリル加工で形成することができる。通常は、このような管は、ガンドリルで長手方向の孔が形成されている１０ｍｍ〜３０ｍｍ程度の棒から製造される。次に、このような中空管は、最終的な大きさに引き延ばされる。外寸、肉厚、および内寸は、連続的な引き伸ばしステップとマンドレルの選択によって決まる。このような管はまた、特定の特性が得られるように様々な熱間加工および／または冷間加工を施すことができる。棒材から中空管を形成するための他の工業的に適切な方法を当業者が用いることができることに留意されたい。
【０００４】
管の代替の製造方法では、シートまたは平坦な原材料製品から開始する。シート材から開始する場合は、製造工程が極めて単純になる。通常は、原材料シートを円筒構造に曲げて、あらゆる既知の溶接技術で接合する。この方法は、ホリカワらによって試みられ、ホリカワら著のＳＭＳＴ‐９４、１９９４年、Ｐ３４７‐３５２に記載されており、厚みが０．４ｍｍのニッケル・チタンシートを用いている。このシートは、電子ビーム溶接され、次いで熱間工程および冷間工程で１．０ｍｍおよび０．５ｍｍの外径にされる。このように溶接された管は、冷間引き伸ばしの際に破壊されてしまうことが多く、内面が均一にならないことが観察された。ホリカワらの文献には記載されていないが、製造中の破壊は、基材を溶融する溶接技術に共通の、溶接ゾーンの特性による可能性が高い。例えば、電子ビーム、不活性ガス、およびレーザーなどの、このような溶融溶接技術または方法では、基材と著しく異なる溶接ゾーンに微細構造が形成されることが知られている。この溶接ゾーンは、機械特性が管の他の部分よりも劣るため、最終製品の実用性が制限される。さらに、ニッケル・チタン合金とステンレス鋼などの異種材料を溶融法で溶接すると、溶接ゾーンに脆弱な金属間化合物が形成される。
【０００５】
したがって、上記した問題を解消した接合技術が要望されている。
【０００６】
〔発明の概要〕
本発明は、上で簡単に説明した現在利用されている溶接技術に関連した欠点を解消する。
【０００７】
一実施形態に従えば、本発明は、ニッケル・チタン合金を接合する方法に関する。この方法は、回転器具を第１の材料と第２の材料との間の接合部に配置する工程と、回転器具を所定速度で回転させて、材料を接合部の一側から他側に移動させる工程と、回転器具を接合部の一端から他端に移動させる工程を含む。
【０００８】
別の実施形態に従えば、本発明は、ニッケル・チタン合金の表面を改変する方法に関する。この方法は、回転器具を金属材料の表面の所定深さまで貫入させる工程と、回転器具を所定速度で回転させて、金属材料の微細構造を改変する工程と、回転器具を金属材料の表面に沿って移動させる工程を含む。
【０００９】
本発明の摩擦撹拌接合のプロセスは、材料の溶融ではなく、接合部の一側から他側への材料の移動を利用するものである。摩擦撹拌溶接器具の回転速度およびデザインにより、移動する材料の速度および量が決まる。基材を溶融しないため、最終製品は、現在利用されている溶接技術に関連した悪影響を全く受けない。
【００１０】
〔詳細な説明〕
本発明の上記した特徴および他の特徴は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めばより良く理解できるであろう。
【００１１】
摩擦撹拌接合は、互いに接合されるべき２片の材料の接合部に回転器具を配置し、所定の速度で回転させながら接合部に沿って移動させるプロセスである。回転器具のデザインおよびその回転により、材料が接合部の一側から他側に移動し、これにより２片の材料が互いに効果的に接合される。これは実質的に冷間溶接であるため、基材が、現在利用されている溶接技術に関連した加熱による悪影響を全く受けない。
【００１２】
このプロセスは、様々な金属材料を互いに溶接する際に用いることができるが、特にニッケル・チタン合金の接合に有利である。例えば、摩擦撹拌接合で製造できる製品の１つに、ニッケル・チタン製の微小管があり、この微小管は、上で簡単に説明した様々な医療装置に用いるために、最終寸法にさらに仕上げることができる。摩擦撹拌接合された管は、マイクロカテーテルとして、またはステント、末梢保護フィルタ、大静脈フィルタ、咬合器、および吻合装置を含む様々な医療装置の開始材料として用いることができる。摩擦撹拌接合を用いて、ニッケル・チタン合金を、ステンレス鋼、チタン合金（α、β、およびα＋β）、コバルト系合金（Ｌ６０５）、および耐火金属合金などの他の医療用工学材料に接合することもできる。また、この技術を用いて、金、プラチナ、パラジウム、銀、タンタル、タングステン、およびモリブデンを含む放射線不透過性がより高い材料を、ニッケル・チタン合金に接合または固定することもできる。放射線不透過性がより高い材料をニッケル・チタン合金に接合または結合することで、装置全体または装置の所望の部分が、放射線不透過性がより高くなる。したがって、例えば、タンタルのバンドをニッケル・チタン製のステントの端部に接合して、Ｘ線透視下での位置合わせを容易にすることができる。
【００１３】
摩擦撹拌プロセスは、摩擦撹拌接合に関連している。摩擦撹拌プロセスでは、撹拌摩擦器具を用いて、溶接接合部を形成することなく、材料または部品の表面を処理する。摩擦撹拌プロセスの熱および塑性変形によって、表面の微細構造を、例えば微粒子の大きさを実質的に改変することができる。摩擦撹拌接合および摩擦撹拌プロセスによって生じる熱は、従来の溶接技術による熱よりも著しく小さい。摩擦撹拌プロセスによって材料特性が著しく改善された金属は、アルミニウム、銅系合金、および鉄系合金である。
【００１４】
摩擦撹拌接合および摩擦撹拌プロセスは、ニッケル・チタン製の医療装置および構成部品の製造に新たな可能性を与える。このような技術により、固体状態での接合または固体状態での表面処理が可能となり、これまで不可能だった最適な形態または最適な特性を得ることができる。従来の融接法は、ニッケル・チタンの微細構造を大幅に変化させ、少なくとも形状記憶特性または超弾性特性が低下し、最悪の場合は、金属間化合物（例えば、Ｔｉ2Ｎｉ）を含む溶接ゾーンが形成され、材料が脆弱になって使用不可能となる。摩擦撹拌プロセスはまた、材料の表面を処理して、例えば耐摩耗性に優れた表面層を形成することができる。この特徴は、フレッチングまたはフレッチング腐食環境にさらされる適用例に極めて重要であろう。
【００１５】
摩擦撹拌プロセスおよび摩擦撹拌接合は、金属間化合物などの凝固構造および間隙などのアーチファクトの形成を伴わないきわめて局所的な材料の混合および塑性変形を用いた固体技術に関連している。このような方法は、ニッケル・チタン、ステンレス鋼、チタン合金、コバルト合金、および他の材料を用いた様々な医療装置に用いることができる。さらに、このような技術は、最終的に医療装置の製造に用いられる管または平坦な形態の材料（シートやストリップ）に用いることができる。別法では、ニッケル・チタン製の装置に異種の部品を接合するなどの固有の特性を付与するために、このような技術を完成装置または半完成装置に用いることも考えられる。
【００１６】
摩擦撹拌接合により、固体状態で、すなわち接合ゾーンで融解および再固化が起こることなく、材料の連続的な接合が可能となる。この固体状態接合技術は、材料、または接合する材料と比べて温度特性が格段に高い非消耗回転器具を利用する。回転器具の製造には、ＰＣＢＮ（Polycrystalline Cubic Boron Nitride：多結晶立方晶窒化ホウ素）およびタングステン‐レニウム（Ｗ‐Ｒｅ）を含め、あらゆる好適な材料を用いることができる。回転器具の材料の選択は、接合する材料によって決まる。回転器具は、用途によって任意の好適な形状にすることができる。
【００１７】
この回転器具は、ルーターまたは形削り盤に用いられる工具ビットに類似している。ここに開示する例示的な実施形態では、回転器具を、所定の回転速度で回転させるべくフライス盤のチョック内に配置し、接合する材料と材料との接合部内に貫入させ、この所定深さに保持し、そして接合部に沿って移動させて接合を完了する。上で簡単に説明したように、回転器具の回転速度および形状により、材料が接合部の一側から他側に移動し、これにより接合部が形成される。回転器具の回転方向により、材料が移動する方向が決まる。原則的に、接合部の両側の材料が回転器具によって移動される。回転速度も、材料の移動速度の因子である。この回転速度は、約２００〜約２０００ｒｐｍ、より好ましくは約４００〜約８００ｒｐｍの範囲とすることができる。
【００１８】
図１を参照すると、２つのワークピース材料２００と３００との間の接合部２５０にある回転器具１００が模式的に例示されている。２つのワークピース材料２００と３００が強く締め付けられた典型的な当接接合構造では、回転器具１００を、全接合部の深さに亘って材料を移動させるのに十分な深さまで、接合部２５０内に貫入させる。回転器具１００は、接合部２５０内への器具１００の貫入を可能にするピンすなわちプローブ１０２と、材料を接合部２５０の一側から他側に移動させるための成形肩部分１０４を備えている。例示されていないが、プローブ１０２と肩１０４との間に移行部が設けられている。回転器具１００の形状は、材料を移動させることができるようにデザインされている。例示されているように、例示的な実施形態では、回転器具１００は実質的に円柱状である。
【００１９】
回転器具１００が接合部２５０に配置されたら、回転器具１００を接合部２５０に沿って横断させる。肩１０４とプローブ１０２によって起こる塑性変形および摩擦効果により、接合部２５０の境界近傍の材料が加熱され、これにより、例示されているように材料が接合部の両側に流れる。このプロセスで、２つの材料２００と３００との間に冶金学的に十分な接合部が形成される。図１において、矢印１０６は、回転器具の肩１０４の前縁１０８および後縁１１０を備えた回転器具１００の回転方向を例示している。回転方向によって、接合の後退側１１２と接合の前進側１１４が変わる。
【００２０】
ここで図２を参照すると、摩擦撹拌プロセスの結果が例示されている。摩擦撹拌接合では、図１に例示されている回転器具１００が、接合するピース間の接合部内に貫入している。摩擦撹拌プロセスでは、回転器具１００は材料の表面に接触しているだけである。挿入深さは、達成すべき特性によって決まる。上記したように、回転器具１００を用いて、材料の表面の微細構造を変化させ、これにより完成装置を実質的に改変することができる。例えば、摩擦撹拌プロセスを用いて、様々な荷重条件に対応できる広範な形状にステントなどの医療装置をデザインできるように、微細構造をデザインすることができる。言い換えれば、例えば粒度など微細構造を変化させて、装置または部品の強度を変更することができる。原則的に、この場合は粒度である材料構造と、この場合は降伏強度である測定可能な強度との因果関係は、強度が粒度の平方根に反比例する、以下に示す有名なホールペッチ則（Hall-Petch relationship）によって説明がつく。
【数１】
2006218543.tif 000003
この式のσyは、Ｍｐａの単位で測定される降伏強度であり、Ｇ．Ｓ．は、平均粒子直径としてｍｍの単位で測定される粒度である。
【００２１】
最も実用的で好適な実施形態と考えられるものを図示および説明してきたが、当業者であれば、図示および説明した特定のデザインおよび方法の変更形態に容易に想到し、これを本発明の概念および範囲から逸脱することなく利用できることは明らかである。本発明は、説明および例示した特定の構造に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲内に含まれ得る全ての変更形態を包含すると解釈されるべきである。
【００２２】
〔実施の態様〕
（１）ニッケル・チタン合金を接合する方法において、
回転器具を第１の材料と第２の材料との間の接合部に配置する工程と、
前記回転器具を所定速度で回転させて前記材料を前記接合部の一側から他側に移動させる工程と、
前記回転器具を前記接合部の一端から他端まで移動させる工程と、を含む、方法。
（２）ニッケル・チタン合金の表面を改変する方法において、
回転器具を金属材料の表面の所定深さまで貫入させる工程と、
前記回転器具を所定速度で回転させて前記金属材料の微細構造を改変する工程と、
前記回転器具を前記金属材料の表面に沿って移動させる工程と、を含む、方法。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に従った摩擦撹拌接合のプロセスを示す線図である。
【図２】本発明に従って摩擦撹拌プロセスを受けたニッケル・チタンシート材の表面を例示する図である。
【図１】
2006218543.tif 000004
【図２】
2006218543.tif 000005
【外国語明細書】
2006218543000001.pdf